Применение азотированных порошков на основе железа для получения функциональных материалов и порошковых сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Юровских, Артем Сергеевич

• Юровских, Артем Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юровских, Артем Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АЗОТ КАК ЛЕГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ В СТАЛЯХ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР).

1.1 Система железо-азот.

1.1.1 Диаграмма состояния Fe-N.

1.1.2 Термодинамика системы Fe-N. Растворимость азота в стали.

1.1.3 Образование нитридных слоев в системе Fe-N при азотировании.

1.1.4 Особенности фазовых превращений и стабильность нитридных фаз в системе Fe-N при нагреве. Эволюция структуры и фазового состава нитридных слоев.

1.2 Фазовые превращения в системах Fe-JI3-N.

1.2.1 Влияние легирующих элементов на растворимость азота. Нитриды легирующих элементов.

1.2.2 Система Fe-C-N.

1.2.3 Системы Fe-Cr-N, Fe-Cr-Ni-N, Fe-Ni-N.

1.2.4 Особенности формирования нитридных слоев в системах Fe-Me-N.

1.3 Постановка задачи исследования.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Исследуемые материалы.

2.2 Режимы компактирования и спекания порошковых образцов.

2.3 Режимы плазменного напыления азотированных порошков.

2.4 Методики исследований.

3. СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ АЗОТИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ.

3.1 Исследование структуры, фазового и химического состава порошков после азотирования в виброкипящем слое.

3.1.1 Порошки системы Fe-N.

3.1.2 Порошки системы Fe-C-Al-Cr-N.

3.2 Эволюция фазового состава азотированных порошков при нагреве в различных атмосферах.

3.2.1 Порошки системы Fe-N.

3.2.2 Порошки системы Fe-C-Al-Cr-N.

3.3 Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОМПАКТИРОВАНИЯ И СПЕКАНИЯ АЗОТИРОВАННЫХ ПОРОШКОВ.

4.1 Высокоазотистые стали и порошковая металлургия.

4.2 Исследование компактированных заготовок.

4.3 Исследование структуры, фазового состава и свойств спеченных образцов.

4.3.1 Спекание в инертных атмосферах (аргон, гелий).

4.3.2 Спекание в насыщающей атмосфере азотного защитного газа (АЗГ).

4.3 Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОГО ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА.

5.1 Процесс формирования плазменного покрытия.

5.2 Структура и фазовый состав плазменных покрытий из азотсодержащего порошкового материала системы Fe-C-2Cr-4Al-9N.

5.3 Коррозионное поведение плазменных покрытий из азотсодержащего порошкового материала системы Fe-C-Al-Cr-N.

5.4 Примеры использования высокоазотистых порошковых материалов в практике ремонта деталей оборудования плазменным напылением покрытий.

5.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение азотированных порошков на основе железа для получения функциональных материалов и порошковых сталей»

Не подлежит сомнению, что сплавы на основе железа (главным образом стали) останутся наиболее используемыми материалами в новом столетии. Так же очевидно, что требования к свойствам материалов будут непрерывно возрастать. Не смотря на распространенное мнение о том, что стали за свою более чем трех тысячелетнюю историю полностью изучены и не приходиться ожидать открытия в них принципиально новых качеств, развитие материаловедения привело к созданию таких новых сталей, как мартенситно-стареющие, ТРИП-стали и высокоазотистые стали.

Легированные азотом стали давно привлекают внимание исследователей ввиду их особого комплекса свойств, прежде всего высокой прочности, износостойкости и хорошей коррозионной стойкости в биологически активных средах. Азот — доступный легирующий элемент, отличающийся высокой аустенитостабилизирующей способностью и интенсивно упрочняющий сплав. Использование азота позволяет снизить содержание в сталях дефицитных никеля и марганца, а в случае сверхравновесных концентраций — вовсе отказаться от использования данных легирующих элементов.

При всех достоинствах азотсодержащих сталей их производство и использование в настоящее время весьма ограничено в связи со значительными трудностями получения значительных концентраций азота по традиционным металлургическим технологиям. Используемые в настоящее время технологии объемного легирования сталей азотом в расплавленном состоянии (литье с противодавлением азота, плазменная либо индукционная плавка в газостатах под высоким давлением азота) отличаются высокой сложностью и стоимостью оборудования, значительными энергетическими затратами и трудно реализуемы в условиях массового производства.

Новые возможности в производстве и изучении азотсодержащих сталей открывает сочетание твердорастворного азотирования и технологий порошковой металлургии. На фоне введения азота в расплав твердофазное газовое азотирование является более простой и доступной технологической операцией; варьируя условия проведения азотирования и применяя образцы различной формы можно достигать различных фазовых состояний и содержания азота в материале. С другой стороны, значительная удельная поверхность порошковых материалов и многочисленные границы раздела, служащие эффективным диффузионным транспортом атомов насыщающего элемента, в сочетании малым размером зерен металла (сопоставимым с глубиной диффузионной зоны при азотировании объемных изделий) предполагают быстрое достижение равновесной концентрации азота и его равномерное распределение. Анализ литературных источников за последнее десятилетие показывает, что технология порошковой металлургии применительно к синтезу высокоазотистых сталей является малоизученной, но весьма перспективной и потому представляет значительный научный и практический интерес.

Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей формирования микроструктуры, химического и фазового состава в процессе низкотемпературного газового азотирования порошков на основе железа в виброожиженном слое, а так же эволюции фазового и химического состава азотированных порошков в процессе нагрева в различных атмосферах. Кроме того, были рассмотрены возможности использования азотированных порошков в качестве функциональных материалов и компонентов порошковых сплавов.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Юровских, Артем Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе представлены результаты комплексного исследования порошковых материалов на основе железа, прошедших азотирование в виброожиженном слое. Основные результаты работы следующие:

1. Изучена структура и фазовый состав порошков на основе железа после ХТО в виброкипящем слое. Установлено, что проведение хромоалитирования с последующим азотированием порошковой стали 20 позволило получить сферические порошки системы Fe-C-2Cr-4Al-9N с выраженной оболочечной структурой, состоящей из тонкого слоя е-Fe2-3N нитрида, развитого слоя y'-Fe4N нитрида и области внутреннего азотирования, состоящей предположительно из смеси азотистого феррита и карбонитридной фазы. Общее содержание азота в материале составило 8-9 вес.%.

2. Установлено, что кратковременное азотирование порошков системы легирования Fe-2Mn привело к образованию игольчатых выделений y'-Fe4N во всем объеме матрицы а-Fe, свидетельствуя о сквозном азотировании частиц порошка. Суммарное содержание азота составило 1-1,15 вес.%. Увеличение температуры и продолжительности ХТО привело к появлению в структуре частиц оболочки е-нитрида и многофазной y'-Fe4N + а-Fe центральной области с незначительной долей a-Fe. Общее содержание азота в данном случае составило порядка 6,5 вес.%.

3. Изучено протекание фазовых превращений при нагреве азотированных порошков в различных атмосферах. Установлено, что распад нитрида y'-Fe4N в порошках системы Fe-C-2Cr-4Al-9N идет с образованием нестабильного азотистого аустенита с его последующей перекристаллизацией в a-Fe, сопровождающейся активным выделением газообразного азота. При этом образование е-нитрида по эвтектоидной реакции y-Fe + у'-Fe4N —» e-Fe2-3N не зафиксировано; более того, имеющийся изначально е-нитрид поглощается у'-фазой в процессе нагрева. Показано, что в системе Fe-2Mn-l,5N образующийся при нагреве азотистый аустенит является стабильным в интервале температур 540-950°С.

4. С помощью методов синхронного термического анализа и терморентгенографии установлены интервалы термической стабильности нитридов железа y'-Fe4N и e-Fe2-3N. Интервал диссоциации в значительной степени определяется составом атмосферы и составляет 630.700°С в аргоне и 530.590°С в вакууме. Показано, что нитридные фазы системы Fe-N являются стабильными по крайней мере до 400°С даже в условиях крайне низкого парциального давления азота. Кроме того, выделение газообразного азота не наблюдается до температуры 540°С.

5. Исследование процессов компактирования и спекания азотсодержащих порошков показали, что термическая обработка в интервале температур в интервале 30.1200°С не приводит к полной потере азота материалом, более того, спекание в атмосфере АЗГ сопровождается активным поглощением азота из атмосферы и приводит к образованию эвтектоида aFen + C^N (азотистого перлита) при медленном охлаждении.

6. Установлено, что структура плазменного покрытия из порошка Fe-C-2Cr-4Al-9N состоит из областей легированного алюминием феррита, незначительной доли мартенситных участков, губчатых фрагментов, содержащих нитриды A1N либо оксонитриды типа Al2.s1O3.56N0.44, а так же пленок окислов железа FeO и РегОз.

7. Показано, что высокая адгезия и когезия азотсодержащих материалов в основном обусловлена следующими факторами: предотвращением интенсивного окисления материала в плазменной струе вследствие диссоциации y'-Fe4N и s-Fe2-3N нитридных оболочек с выделением газообразного азота; снижением уровня термических и фазовых напряжений из-за развитой пористости покрытия; подавлением мартенситного превращения вследствие стабилизации феррита алюминием и хромом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юровских, Артем Сергеевич, 2009 год

1. Н.А. Wriedt and L. Zwell. Lattice Dilation of aFe by Nitrogen. Trans. Metall. AIME, 224(12), 1242-1246(1962).

2. R.C. Ruhl and M. Cohen. Splat Quenching of Iron-Carbon Alloys. Trans. Metall. AIME, 245(2), 241-251 (1969).

3. K.H. Jack, The Iron-Nitrogen System: The Preparation and the Crystal Structures of Nitrogen-Austenite (y) and Nitrogen-Martensite (a'). Proc. Roy. Soc. London, Ser. A, 208, 200-215, 1951.

4. T. Bell and W.S. Owen, Martensite in Iron-Nitrogen Alloys. J. Iron Steel Inst., 205(4), 428-434(1967).

5. D.H. Jack and K.H. Jack. Carbides and Nitrides in Steel. Mat. Sci. Eng., 11, 1-27, 1973.

6. A. Suyazov, M.P. Usikov, and B.M. Mogutnov. Investigation of Structural Transformation in Iron-Nitrogen Alloys. Fiz. Metal. Metalloved., 42(4), 755-763 (1976).

7. N. DeCristofaro and R. Kaplow. Interstitial Atom Configurations in Stable and Metastable Fe-N and Fe-C Solid Solutions. Metall. Trans. A, 8 (1), 35-44 (1977).

8. K.H. Jack. Results of Further X-Ray Structural Investigations of the Iron-Carbon and Iron-Nitrogen Systems and of Related Interstitial Alloys. Acta Crystallogr., 3, 392-393, 1951.

9. K.H. Jack. New Interstitial Alloy Phases Relating to the Surface Hardening of Steel. Aust. Inst. Met., Trans., 3, 53-58, 1950.

10. K.H. Jack. The Occurrence and the Crystal Structure of a"-iron nitride; A New Type of Interstitial Alloy Formed during the Tempering of Nitrogen-Martensite. Proc. Roy. Soc. London, Ser. A, 208,216-224, 1951.

11. D.M. Borsa. Nitride-based insulating and magnetic thin films and multilayers (doctoral thesis). Academy Building, Broerstraat 5, 9712 CP, Groningen, 2004.

12. К. H. Jack. Binary and Ternary Interstitial Alloys. I. The Iron-Nitrogen System: The Structures of Fe4N and Fe2N. Proc. R. Soc. Lond. A 195, 34-40, 1948.

13. К. H. Jack. The Iron-Nitrogen System: The Crystal Structures of s-Phase Iron Nitrides. Acta Cryst. no.5, 1952, pp. 404-411.

14. W. Y. Ching, Y. N. Xu, and P. Rulis, Appl. Phys. Lett. 80, 2904 (2002).

15. E. H. Du Marchie van Voorthuysen, D. O. Boerma and N. C. Chechenin. Low-temperature extension of the Lehrer diagram and the iron-nitrogen phase diagram. Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 33 A, 2002.

16. H.A. Wriedt, N.A. Gokcen, R.H. Nafziger. The Fe-N (Iron-Nitrogen) System. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, vol. 8 no. 4, 198717.